KR0161377B1

KR0161377B1 - 강유전성 액정표시소자

Info

Publication number: KR0161377B1
Application number: KR1019940012160A
Authority: KR
Inventors: 정성은; 이종천
Original assignee: 윤종용; 삼성전관주식회사
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1999-01-15
Also published as: KR950033569A; GB2289952A; GB9501977D0; JP2766784B2; JPH07333616A; GB2289952B

Abstract

본 발명은 강유전성 액정표시소자에 관한 것으로서, 상하 한쌍의 기판, 상기 각 기판의 상부에 형성된 투명전극, 상기 각 투명전극의 상부에 형성되어 소정의 방향으로 러빙된 배향막, 상기 배향막의 사이에 주입된 강유전성 액정을 구비하는 강유전성 액정표시소자에 있어서, 상기 배향막의 러빙 방향의 각도가 상기 액정의 고유 틸트각의 2±0.2배가 되도록 조절하여 상하 기판을 접합하여 된 것이다. 본 발명의 액정표시소자는 중간계조 표시가 가능한 것이고 광학적 특성이 우수하며 빠른 응답속도를 갖는 것이다.

Description

강유전성 액정표시소자

제1도는 통상적인 액정표시소자의 개략적인 단면도이다.

제2도는 통상적인 액정표시소자에 있어서, 비틀린 강유전성 액정판넬의 광학적 특성을 나타내는 도면으로서, a)는 광투과상태를 나타내고, b)는 광차단 상태를 나타낸다.

제3도는 외부전기장의 크기에 따른 광투과율 측정 결과를 나타내는 그래프로서 a)는 본 발명의 실시예 1에 따른 판넬에 대한 것이고, b)는 본 발명의 실시예 2에 따른 판넬에 대한 것이다.

제4도는 외부전기장의 크기에 따른 응답속도를 나타내는 그래프로서 a)는 본 발명의 실시예 1에 따른 판넬에 대한 것이고, b)는 본 발명의 실시예 2에 따른 판넬에 대한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11,19 : 편광판 12,18 : 기판

13,17 : 투명전극 14,16 : 배향막

15 : 액정층 20 : 러빙축

본 발명은 강유전성 액정표시소자에 관한 것으로서, 상세하게는 배향과 액정 특성을 효과적으로 조합하는 것에 의해 전압 증가에 따라 광투과량이 선형으로 변화되도록 하여 중간계조 표시를 가능하게 하고, 매우 빠른 응답특성을 갖는 신규한 강유전성 액정표시소자에 관한 것이다.

제1도에 통상적인 액정표시소자의 개략적인 단면도를 나타내였다. 유리등으로 제조되는 상하, 한 쌍의 기판(12,18)의 상부에 ITO 등으로 투명전극(13,17)이 형성되어 있고, 상기 투명전극(13,17)의 상부에는 인접한 액정의 배향을 위한 배향막(14,16)이 구비되어 있으며, 상기 배향막(14,16) 사이의 공간에는 액정물질이 주입되어 액정층(15)을 이루고 있다. 상기 기판(12,18)의 바깥쪽에는 입사광 및 투과광의 편광을 위한 편광판(11,19)이 구비되어 있어서, 상하 기판(12,18)의 투명전극(13,17)에 전압을 인가하는 것에 의해 액정층의 배열을 변화시켜 편광된 광을 광투과 상태 및 광차단 상태로 유도하여 표시기능을 할 수 있도록 한 것이다.

종래 많이 사용되는 액정으로서는 TN(Twisted Nematic), STN(Super Twisted Nematic) 등이 있다. 그런데 TN 액정으로 다량의 정보를 표시하기 위해서는 예를 들어 TFT(thin film transistor)와 같은 액티브 구동소자(active matrix driving device) 등의 반도체 소자를 이용해야 하며, STN 액정은 멀티플렉스 구동은 가능하나 응답속도가 느려 빠른 화상 표현이 어렵다는 단점이 있다.

이에 반하여 강유전성 액정(Ferroelectric Liquid Crystal-일명 FLC)은 기존의 TN 액정이나 STN 액정에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 특히 강유전성 액정이 갖고 있는 쌍안정성(두개의 안정한 위치가 존재하여 하나는 빛을 투과(on), 다른 하나는 빛을 차단(off)하는 것으로 사용함)은 콘트라스트의 저하없이 멀티플렉스(multiplex) 구동을 가능케 한다. 또한 빠른 응답특성은 플릭커(flicker)나 이미지(image) 잔상을 없애주며 마우스(mouse)의 사용을 가능케 한다. 이와 같은 특성을 이용하여 제조된 액정소자로서 표면안정화 강유전성 액정 소자(Surface Stabilized FLC Device-일명 SSFLC)가 있다. 강유전성 액정을 이용한 SSFLC는 멀티플렉스 구동이 가능하고 빠른 응답특성 등 우수한 특성을 많이 갖고 있는 소자이다(Appl. phys. lett., 36, 899, 1980/미국특허 제4,367,924호/미국특허 제4,563,059호).

한편, FLC를 소자화 하는데는 중간계조(gray scale) 표시가 필요한데, SSFLC는 매우 작은 셀 간격(cell gap)을 유지시켜야 한다는 어려움과 함께 쌍안정성 때문에 중간 밝기의 표현에 어려움이 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 한 픽셀(pixel)을 여러개로 나누어 동작시키는 면적계조(미국특허 제5,157,524호)와, 신호 펄스의 시차 주기 조절에 의한 방법 및 멀티도메인(multidomain)에 의한 방법(Ferroelectrics, 1991, 122 pl)등이 제안되고 있으나, 이들에는 복잡한 공정과 구동이 요구된다는 문제가 있다.

상기한 문제점을 극복하기 위하여 제이.에스.파텔 등이 강유전성 액정을 이용하여 중간계조 표시가 가능한 비틀린 강유전성 액정표시소자(twisted FLCD)를 제안하였다(미국특허 제5,172,257호/Appl. phys. Lett., 60(3), 280, 1992/Information Display 10/1992 p14). 이는 강유전성 액정을 사용하면서도 TN에서처럼 전기장에 의하여 액정 내에서 광의 투과 경로(wave guiding path)를 조절하여 투과광의 양을 조절하면서 중간계조를 표시할 수 있도록 된 점에서 매우 중요한 제안이다. 그러나 이는 치소사(Chisso 社)의 액정 CS2004처럼 고유 틸트각(inherent tilt angle)이 온도에 무관하게 45°인 액정의 경우로 한정되어 있기 때문에 고유 틸트각이 22.5° 부근인 대부분의 강유전성 액정에는 이를 이용할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명자는 상기한 문제점을 감안하여 액정과 배향과의 관계를 예의 주시하면서 연구한 결과 마침내 액정 특성과 배향에는 어떤 특별한 관계가 있다는 사실을 발견하게 되었다.

일반적으로 강유전성 액정을 포함하는 스멕틱 액정(smectic LC)은 배향이 매우 어려우며 그 구조도 불안정하다. 이를 사용하여 TFLC 소자를 제작하기 위한 배향은 상기한 제이.에스.파텔 이외에는 아직까지 제안된 바가 없기 때문에 적절한 배향법이 알려져 있지 않다. 그러므로 강유전성 액정을 사용하여 TFLC를 만들기 위해서는 액정의 배향과 액정분자의 틸트각에 따른 비틀림각도 결정방법, 배향시 액정 분자구조의 변화 등에 대한 고찰이 필요하다.

이를 살펴보기 위하여 TFLCD의 동작 원리를 제2도를 참고로 하여 설명하기로 한다. 도면에서 화살표는 광의 진행방향을 나타내며, A는 전기장이 인가되기 전인 광투과 상태를, B는 전기장이 인가된 후인 광차단 상태를 나타낸다. 제2a도에서 셀 표면에 수직한 방향으로 보면 액정 분자는 상하기판의 배향축을 따라 아랫표면에서부터 윗표면에 걸쳐 연속적으로 90°회전한 상태로 배열되어 있으며, 이는 기존의 TNLCD에서 액정분자들이 상하 기판에서 90°회전되며 배열되어 있는 상태와 유사하다. TFLCD에서는 액정분자들이 스멕틱 C^*(키랄 스멕틱 C상)의 상태를 이루며, 그 배열상태는 분자들이 층구조를 이루며 적층된 상태를 갖고, 각 층에서의 각각의 분자들은 서로 나란하게 배열되며 층을 이루는 면과 일정한 각으로 기울어져 있다. 이때, 층을 이루는 면의 법선과 액정분자들이 이루는 각을 고유 틸트각이라 정의하며, 외부에서 전기장이 인가되면 이 고유 틸트각 내에서 각 분자들이 움직이게 된다. 각 층을 이루는 면은 서로 나란하며 기판을 이르는 면과는 직교한다.

제2a도에서 상하 기판(12,18)의 배향면과 접촉하는 액정층(15)의 분자들은 러빙축(20), 즉 배향축(20)과 나란하게 배열되며, 상하 기판(12,18)의 배향축은 서로 90°를 이루고 있다. 따라서, 상하 기판(12,18) 사이의 액정분자들은 90°뒤틀린 배향축에 의해 TNLCD에서와 같이 연속적으로 90°뒤틀린 구조로 배열된다.

자발분극(P)은 층과 동일면에 있으며 액정 분자에 수직한 방향이므로 아랫쪽 분자에서 윗쪽 분자쪽으로 90°바뀌게 된다.

광학적으로 뒤틀린 강유전성 액정은 TN처럼 선 편광된 빛이 분자의 광학축을 따라 90°회전하여 윗 편광판(19)을 통과하게 된다. 상하기판의 배향면과 접촉하는 액정분자는 배향축과 나란하게 배열되며, 액정분자의 광축은 분자의 장축과 나란하므로 배향축과 액정분자의 광축은 나란하게 된다. 편광판(11)을 통과한 빛의 편광축은 액정분자의 장축 즉 광축과 나란하게 되며 액정층(15)을 지나면서 조금씩 회전되는 분자의 장축과 같이 90°회전하게 된다. 이때, 윗 편광판(19)은 아래 편광판(11)과 90°로 교차되어 액정의 광축을 따라 90°회전한 광이 투과하게 되고, 전압을 인가한 경우는 제2b도에서 처럼 액정 분자들이 전기장에 수직하게 되며(분자 분극 방향이 전기장 방향) 이에 따라 광축 변화없이 투과된 빛이 편광판의 광축과 직교되므로 빛이 차단된다.

이 때 약한 전기장을 가한 경우에는 액정 분자들이 전기장의 크기에 따라 부분적으로 회전하게 되기 때문에 부분적인 광만 투과된다. 그러므로 이 전기장의 세기를 조절하게 되면 빛의 투과량을 조절할 수 있으며 이에 따라 중간계조 표시가 가능하게 되는 것이다. 즉, TFLC는 TN과 같이 90°회전되는 액정분자들의 장축을 따라 편광된 빛의 편광축이 회전되는 원리를 똑같이 이용하는 것이며, 단지 액정분자들이 TFLC에서는 층구조를 갖는 스멕틱상을 갖고 TN에서는 네마틱상을 갖는 차이가 있을 뿐이다.

본 발명은 상기한 특성을 감안하고 FLC의 장점을 효과적으로 이용하기 위하여, 배향과 액정 특성을 효과적으로 조합함으로써 강유전성 액정을 마치 TN처럼 전압증가에 따라 광투과량이 선형으로 변화되도록 하여 중간계조 표시를 가능하게 하는 동시에, STN에 비해 매우 빠른 응답특성을 갖는 새로운 비틀린 강유전성 액정표시소자를 제공하고자 하는 것에 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적은 상하 한쌍의 기판, 상기 각 기판의 상부에 형성된 투명전극, 상기 각 투명전극의 상부에 형성되어 소정의 방향으로 러빙된 배향막, 상기 배향막의 사이에 주입된 강유전성 액정을 구비하는 강유전성 액정표시소자에 있어서, 상기 배향막의 러빙 방향의 각도가 상기 액정의 고유 틸트각의 2±0.2배가 되도록 조절된 것을 특징으로 하는 강유전성 액정표시소자에 의해 달성된다.

특히 상기 강유전성 액정이 온도에 따른 액정의 상변화시 스멕틱 A상(Smectic A phase)을 포함하는 것이 바람직하다.

강유전성 액정을 이용한 SSFLC는 중간계조 표시에 어려움이 있으나, 본 발명에서는 강유전성 액정을 TN처럼 외부에서 가해주는 전압의 크기에 따라 투과되는 빛의 양을 조절할 수 있게 되므로 중간계조 표시가 가능하며 칼라화 하기가 보다 용이해진다. 또한 SSFLC의 경우 매우 작은 셀 갭을 균일하게 만들기가 어려운데 반하여, 3∼5μm로 셀 갭 조절 범위가 넓어져서 보다 쉽게 소자를 제작할 수 있는 것이다.

또한 셀 제작시 사용하는 액정과 배향과의 관계를 고려하기 때문에, 고유 틸트각이 45°인 액정 뿐 아니라 23°, 또는 30°부근의 고유 틸트각을 갖는 일반적인 강유전성 액정까지 그 이용 범위를 넓힐 수 있으며 보다 균일한 액정 판넬을 제작할 수 있다.

본 발명의 액정표시소자는 바람직하게 다음과 같이 제조된다. ITO(indium-tin-oxide)가 증착된 유리판을 깨끗하게 세정한 다음, 전기장 인가시 쇼트(electric circuit short)를 방지하게 위하여 SiOx막을 증착한다. 그 위에 배향막으로 사용할 유기막을 코팅하고 적당한 세기로 러빙한다. 두장의 기판을 상하기판의 러빙(rubbing) 방향이 사용할 액정의 고유 틸트각의 약 두배가 되도록 조절하여 접합한다. 그후 스페이서로서 직경 액 3∼5μm 정도의 유리 전구체를 분산시키고 두장을 접합한 후 강유전성 액정을 주입하여 액정 판넬을 완성한다.

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

[실시예 1]

ITO가 코팅된 1.1mm 두께의 유리기판을 가로 5cm×세로 6cm의 크기로 자른다. 상기 ITO 투명전극이 코팅된 유리를 세정 공정을 통하여 여러번 반복하여 깨끗이 세정한다. 코팅된 ITO 투명전극을 3cm×4cm 크기로 에칭하였다. 에칭은 통상의 리소그래피법(photolithography)에 따라 수행하였다. 에칭후 남아있는 감광성 수지를 완전히 제거하기 위하여 아세톤으로 충분히 세정한다. 그후 전기적 쇼트를 방지하기 위하여 일본촉매화성(日本觸媒化成)의 RTZ1065를 코팅하여 450℃에서 소성하여 SiOx의 얇은 막을 형성하였다. 오르토클로로페놀(o-chlorophenol)에 1,4-폴리부틸렌테레프탈레이트(1,4-polybutylene terephthalate;PBT)를 녹이고, 이를 기판의 표면에 500Å 두께로 코팅하고 이를 한 방향으로 러빙하여 배향막을 제조하였다. 한쪽에 3μm 크기의 진사구를 도포하고 두장의 상하 유리기판을 러빙방향이 서로 수직되게 접합하였다. 여기에 치소사의 강유전성 액정 CS2004를 주입하였다. 이 액정은 고유 틸트각이 45°에 가까운 43°인 것으로서, 이 각을 갖는 액정으로서는 유일하게 상품화된 것이다. 그후 액정 배향을 위하여 2℃/분의 속도로 서서히 상온까지 냉각하였다.

[실시예 2]

실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하되 상하 기판의 러빙방향이 45°가 되도록 상하 기판을 접합하였다. 액정은 고유 틸트각이 23°인 CS1027을 주입하였다.

[비교예 1]

실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하되 상하 기판의 러빙방향이 45°가 되도록 상하 기판을 접합하고, 고유 틸트각이 43°인 치소 액정 CS2004를 주입하였다.

[비교예 2]

실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하되 상하 기판의 러빙방향이 90°가 되도록 상하 기판을 접합하고, 고유 틸트각이 23°인 액정 CS1027를 주입하였다.

상기 각 실시예 및 비교예에서 사용한 강유전성 액정의 특성을 요약하여 표 1에 나타내었다.

I : 이소트로픽상

N: 트위스트 네마틱 또는 콜레스테릭상

SmA : 스멕틱 A상

SmC: 키랄 스멕틱 C상(강유전성 액정)

실시예 1 및 비교예 1에서 CS2004는 고유 틸트각이 약 43°이며 이를 90°와 45°로 배향시킨 결과를 편광 현미경으로 배향 상태를 관찰해 보면 멀티도메인 구조(multidomain structure)가 많이 보이는데, 45°로 배향시킨 것에 비해 90°로 배향시킨 경우가 훨씬 균일한 것으로 관찰되었다.

실시예 2와 비교예 2에서 CS1027은 고유 틸트각이 약 23°이며 이를 45°와 90°로 배향시킨 결과를 편광 현미경으로 관찰해 보면 45°로 배향시킨 것이 더욱 균일한 특성을 갖는다는 것을 알 수 있었다.

상기한 관찰결과를 액정의 고유 틸트각과 배향 특성과 종합하여 검토한, 결과 강유전성 액정의 고유 틸트각의 2배 크기로 액정이 배향되도록 상하 기판을 조절할 때 우수한 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다.

그리고, 실시예 1과 실시예 2에서 SmA상이 있는 CS1027과 SmA상이 없는 CS2004를 사용하여 제조한 소자의 배향상태와 전기특성을 관찰하였다. SmA상을 거치지 않는 CS2004의 경우는 멀티도메인이 많이 관찰된 반면에, SmA상을 거치는 CS1027인 경우 매우 균일한 배향 상태를 보였으며 실제로 육안관찰로도 매우 투명하고 깨끗한 판넬이 제작됨을 확인할 수 있었다.

결론적으로, TFLC 배향에서 SmC에서의 고유 틸트각의 2배가 되도록 상하 기판을 배향 접합시키고, SmA상을 거치는 액정을 사용하는 것에 의해 좋은 배향특성과 광학 특성을 갖는 TFLC 판넬을 제작할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 상기 실시예 2에서는, SmA상을 거치는 CS1027을 사용하고, 이의 고유 틸트각의 2배인 45°로 배향시키는 것에 의해, 매우 깨끗한 모노도메인 구조를 가지며 산란도 거의 일어나지 않는 깨끗한 판넬을 제작할 수 있었으며, 여기에서는 외부 충격에 의한 배향의 흐트러짐도 거의 일어나지 않는다.

제3도에는 외부전기장의 크기에 따른 광투과율 측정 결과를 그래프로 나타내었는데, a는 상기 실시예 1에 따른 판넬에 대한 것이고, b는 상기 실시예 2에 따른 판넬에 대한 것이다.

실시예 1에서 제작한 판넬과 실시예 2에서 제작한 판넬의 전기광학적 효과를 비교해 보면, SmA상을 거치고 고유 틸트각의 2배로 배향시킨 실시예 2의 결과가 더욱 우수한 특성을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다. 실시예 1에서 사용한 CS2004는 SmA상을 거치지 않고 콜레스테릭상에서 바로 스멕틱 C상으로 가기 때문에, 고유 틸트각의 2배로 배향시켰음에도 불구하고 판넬의 광산란이 그다지 좋지 않음을 알 수 있다.

제4도는 외부전기장의 크기에 따른 응답속도를 나타내는 그래프로서, a는 상기 실시예 1에 따른 판넬에 대한 것이고, b는 상기 실시예 2에 따른 판넬에 대한 것이다.

응답시간을 측정해 본 결과 제4도에 나타난 것과 같이 어느 경우나 밀리초 정도의 빠른 응답 특성을 보였으나, CS1027(실시예 2)인 경우는 전압 변화에 따라 선형적으로 비례하며 균일하게 나타나는데 비해 CS2004(실시예 1)인 경우는 아주 균일하지만은 않은 응답특성을 보였다.

결국, 본 발명에서는 강유전성 액정의 특성에 따라 배향각을 조절하는 것에 의하여, 강유전성 액정을 마치 TN처럼 전압 증가에 따라 광투과량이 선형으로 변하게 하여 중간계조 표시가 가능하게 하면서 STN에 비해 매우 빠른 응답속도를 갖는 비틀린 강유전성 액정표시소자의 제조가 가능하도록 한 것이다.

특히, 본 발명은 45°라는 특수한 틸트각을 갖는 강유전성 액정을 포함하여 22.5° 또는 30°내외의 틸트각을 갖는 대부분의 강유전성 액정까지 그 사용범위를 확대할 수 있는 것이다.

Claims

상하 한쌍의 기판, 상기 각 기판의 상부에 형성된 투명전극, 상기 각 투명전극의 상부에 형성되어 소정의 방향으로 러빙된 배향막, 상기 배향막의 사이에 주입된 강유전성 액정을 구비하는 강유전성 액정표시소자에 있어서, 상기 배향막의 러빙 방향의 각도가 상기 액정의 고유 틸트각의 2±0.2배가 되도록 조절된 것을 특징으로 하는 강유전성 액정표시소자.
제1항에 있어서, 상기 강유전성 액정이 온도에 따른 액정의 상변화시 스멕틱 A상(Smectic A phase)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.